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至2027年全球近眼顯示器市場預測 Near-Eye Display Market - Global Forecast To 2027
2022/04
MarketsandMarkets
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一、介紹
近眼顯示器(Near-eye Display)是將虛擬3D影像,呈現在配戴者的視線範圍, 目前有頭戴式顯示器(head mounted displays, HMDs)與電子式觀景器(Electronic Viewfinders, EVFs)兩類。在消費、汽車、太空與國防、醫療、建築以及教育等領域的數位化需求,以及相關技術發展,如薄膜電晶體液晶顯示器(Thin film transistor liquid crystal display, TFT LCD)、主動有機發光二極體(Active-matrix organic light-emitting diode, AMOLED)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon;LCoS)、矽基有機發光二極體(Organic Light-emitting Diode on Silicon, OLEDoS)、數位光源處理器(Digital Light Processing, DLP)、微發光二極體(Micro-light-emitting Diodes, MicroLED)與雷射光束掃描(Laser Beam Scanning, LBS)等,更進一步讓近眼顯示模組整合於AR/VR裝置。

2021年全球近眼顯示器市場達12億美元,預期至2027年將達到53億美元,2022年-2027年的複合年成長率(CAGR)為24.7%,因許多產業對擴增實境(Augmented Reality, AR)與虛擬實境(virtual reality, VR)裝置的使用需求增加,尤其是消費性電子與遊戲產業,加速全球近眼顯示器發展。
(一)驅動全球近眼顯示器市場發展的因素包含:
1. OLEDoS自發光微型顯示器的輕薄外型、出色的影像反應時間(Response Time) 與鮮豔的色彩表現力,可應用於智慧眼鏡上:許多產業專家認為,OLEDoS將取代現有的顯示技術,促使企業加速投資OLEDoS研發。
2. 許多垂直產業開始加速採用AR裝置:遊戲、娛樂、零售業、健康照物與汽車等產業已利用AR提供使用者身歷其境的體驗。此外,利用AR技術,在現實世界中建立虛擬物件等遊戲與娛樂應用,帶動消費者需求成長,另一方面,在工業、商業與教育產業中,有越來越多近眼顯示器被建置於投影機與AR頭戴式裝置。
3. 元宇宙崛起:元宇宙是一個自實體世界延伸的虛擬平台,使用者可利用AR與VR裝置,在元宇宙利用數位分身處理事務;AR技術可將虛擬物品整合到現實生活中,可利用VR與3D技術在元宇宙進行設計與圖像開發。近期幾個關鍵進展包含Facebook於2021年10約發布AR開發工具–Spart AR and Polar,協助創造者建立元宇宙;Sony於2021年12月展示4K解析度OLED微顯示器的頭戴式AR裝置原形(prototype);Apple規劃2022年第4季推出AR頭戴式顯示器。
(二)阻礙市場發展的因素包含:
1. 過度使用AR與VR裝置導致的健康問題:因為AR遊戲具有高度互動性,使用者投入大量精力與時間,導致焦慮、眼睛疲勞、肥胖與注意力不集中等問題。VR裝置則未完全考量人類感知能力,僅有視覺、聽覺與觸覺,但如平衡與本體感覺(proprioception)則未被內入設計考量,使得感官刺激互相矛盾,導致大腦忙於處理異常狀況,而造成疲勞與頭痛。

二、依技術分類之近眼顯示器市場
根據技術分類,近眼顯示器市場可細分成TFT LCD、AMOLED、LCoS、OLEDoS、DLP、MicroLED與雷射光束掃描(LBS)七大類技術,這些技術在AR、VR、混合實境(MR)與EVF設備中各有應用。占全球市場比例最高的技術依序為TFT LCD、 LCoS與OLEDoS,MicroLED則為近眼顯示器市場的新興技術,由Sony集團等電子企業領軍投資,預計其採用率在未來幾年將迅速成長。以下針對各項技術做說明。
(一)TFT LCD:利用薄膜電晶體技術改善顯示器性能,且單一電晶體操控一個畫素能提供更快的反應時間,由於其重量輕、體積小、解析度高與功耗低,可大量生產且廣泛應用於VR設備的特色,占2021年近眼顯示器市場約40%。
(二)AMOLED:主要應用於智慧型手機的OLED顯示技術,其透過導入一層薄膜電晶體,可更加精準控制OLED發出來的光,改善大型電視、顯示器與筆記型電腦螢幕的顯示技術,提供更真實的色彩重現。
(三)LCoS:結合了數位光學處理技術(Digital Light Processing, DLP)、液晶顯示器(LCD)與反射式(reflective)微型顯示技術,利用矽背板頂端的液晶層顯示影像或影片。LCoS是相對較新的產品,其優勢在於在同樣解析度下可以提供更小的像素,並具有高亮度、長壽命與低成本等特性,可用於投影機、EVF與頭戴式裝置。
(四)OLEDoS:OLED技術以玻璃與聚亞醯胺(polyimide)為基板,是不需要額外光源的自發光顯示器,光學系統相對簡單;OLEDoS是以單晶矽或低溫多晶矽薄膜電晶體(low-temperature polysilicon thin-film transistors)為背板的顯示器,像素尺寸是傳統顯示器的十分之一,且具高解析度、高整合性、低功耗、體積小與重量輕等優點,隨著AR、VR與自動駕駛等技術應用,OLEDoS顯示器將成指數型成長,不過OLEDoS適合應用於VR與MR裝置,因亮度太低而不適合用於以波導(waveguide)技術為基礎的AR裝置。
(五)MicroLED:是利用微型LED,以陣列形式排列於螢幕表面,以產生影像的顯示技術。每個MicroLED都是一個像素,可自發光且能個別調整亮度或關閉,其亮度較OLED更明亮且不會隨著時間降低;不需仰賴插入黑畫面(Insert Black Frame) 或背光掃描 (Backlight Scanning)等技術,就可提供低延遲與高更新率;觀看角度較使用LED/LCD技術的顯示器更廣;能提供高動態(high-dynamic range (HDR)與超高亮度的影像輸出。
(六)DLP :為具高反射性的微鏡陣列,又稱為數位微鏡裝置(digital micromirror devices, DMDs) ,每個DMD由數百萬個微鏡組成,每個反射微鏡就是影像的解析度一個像素。德州儀器是主要生產DLP產品的製造商之一,並提供DMD控制器與電源管理晶片(power management integrated circuits, PMICs))/LED驅動器。
(七)雷射光束掃描:雷射光束掃描顯示器透過微機電反射鏡(Micro Electro Mechanical System, MEMS mirror) ,掃描雷射二極體(laser diodes)所產生的光束,並將影像投影至智慧眼鏡。主要特色為超小的微型顯示器、光源緊湊、高亮度、低功耗與輕薄透鏡等特色。

三、依裝置類型分類之近眼顯示器市場
根據裝置類型,近眼顯示器市場可分成AR裝置、VR裝置、其他設備(包含MR與EVF),2021年以VR設備占全球市場收益比例最高,達7.4億美元,預計AR裝置成長最快,從2020年5.12億美元,預計至2027年將達到23.4億美元,並超越 VR裝置市場。以下針對VR與AR裝置做說明。
(一)VR裝置:為2021年近眼顯示器市場的主力,結合硬體與軟體功能的VR技術,能為使用者提供模擬現實世界的3D環境虛擬體驗,使用者利用配戴裝置,能與現實中的其他使用者互動。由於近眼顯示器模組被嵌入在VR裝置中,其體積小、重量輕、提供寬廣視野與立體影像能力,能根據使用者頭部運動顯示環境不同區域,加上價格合理等因素,因此在VR裝置中廣泛被採用,目前已在中國、日本與印度等國量產,並被應用於軍事、消費、教育訓練、教育與零售等領域。
(二)AR裝置:AR是利用電腦生成的聲音、文本與特效將虛擬場景疊加於外部現實世界,以提供更加豐富的視野與認知。LCoS、OLEDoS、MicroLED與雷射光束掃描等技術正被整合至頭戴AR裝置的近眼顯示器模組,使用者可透過眼鏡、護目鏡、頭盔或面罩等方式觀看AR數位投影,AR裝置已被應用於遊戲與娛樂、商業、零售、醫療與汽車產業。

四、近眼顯示器元件
近眼顯示器的關鍵零組件包含影像生成器(Image Generator)、光學組合器(Optical combiner)與成像光學元件。
(一)影像生成器:影像生成器可以由一個發光顯示器,如有機發光二極體(OLED),或由一個或多個光源所組成的光調變裝置(light modulation device),其中液晶顯示器(LCD)、LCoS與DLP系統都是常見的光調變裝置。這些影像生成器透過調整影像的色調與對比度,可協助使用者調整在近眼顯示器所呈現的影像。
(二)光學組合器:近眼顯示器有兩種類型,沉浸式與增強型顯示器,而光學組合器經常作為沉浸式顯示器中的功率分配裝置,將影像生成器的光線傳輸至眼睛前的成像光學器,以盡可能減少失真與像差(aberration),並提高顯示器的視角(field of view)。
(三)成像光學元件:分為兩種設計方式
1.即瞳孔成像 (pupil forming):在影像生成器與眼睛之間產生中間影像,輔以額外的光調變裝置來處理與改變中間影像,以改善顯示器功能。
2.非瞳孔成像 (non-pupil forming):不生成中間影像,而是直接對眼睛提供平行光束 (collimated light),可在眼睛放鬆的狀態下,產生一個無限遠的影像,雖然需要的光學元件較少,不過難以調整影像的球面像差(spherical aberration)與慧差(coma)。

五、依垂直市場分類之近眼顯示器市場
根據垂直市場,近眼顯示器市場可細分為消費、汽車、太空與國防,以及醫療等應用,估計2022年-2027年間,消費者市場將是成長速度最快的市場。
(一)消費者市場:於2021年,消費者市場占全球近眼顯示器比例最高,主因為許多遊戲機採用具近眼顯示模組的VR裝置。VR裝置透過追蹤3D空間中的即時運動實現與使用者的互動,並提供使用者身歷其境與逼真的遊戲體驗。此外,體育與娛樂、導航等應用對具近眼顯示模組的VR與AR裝置的需求不斷增加,將刺激該領域的近眼顯示器市場成長。此外,由於成本下降,高階頭戴式裝置將逐漸普及,並促使市場成長,如三星Gear VR、Oculus Rfit與HTC Vive等VR裝置漸受歡迎,且被整合到許多消費性應用程式之中。

(二)汽車市場:具備近眼顯示模組的VR裝置可讓使用者與3D虛擬環境互動,在其中四處走動、觀望與沉浸在場景之中,因此在汽車領域的原型設計中,可用虛擬的方式設計原型、製造、裝配與駕駛模擬,以更了解新產品的特性。此外,VR模擬器也在汽車垂直市場有大量應用,例如豐田汽車推出一款新的VR應用程式,旨在提高駕駛者的意識以避免因分心而導致的危險駕駛。

(三)太空與國防:在太空與國防領域中,訓練與模擬非常重要。AR與VR裝置已成為該領域訓練與模擬的主要推動力,利用使用者虛擬環境、遠距呈現與增強的狀態感知 (Situational awareness),提供士兵或飛行員一個沒有風險的真實場景,以訓練他們處理可能出現的情況。

(四)醫療市場:基於近眼顯示器的設備在醫療應用中廣泛被採用,例如診斷、手術與訓練。隨著技術演進,醫療產業對更高品質與解析度的顯示器需求不斷成長,醫師廣泛利用AR的可視化與輔助訓練功能於手術、健康狀態模擬、照護訓練與復健中。VR可提供患者生理解剖的真實3D影像,協助醫生診斷與提高手術安全性。
吳佩蓉
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